基于以太网的城市轨道交通通信网络安全脆弱性定性分析.pdf

51 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT技术装备技术装备张军贤1，齐玉玲2（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210018；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）第一作者：张军贤,男,正高级政工师；通信作者：齐玉玲,女,高级工程师引用格式：张军贤,齐玉玲.基于以太网的城市轨道交通通信网络安全脆弱性定性分析J.现代城市轨道交通,2024(04):51-56.ZHANG Junxian,QI Yuling.A qualitative analysis of the security vulnerability of urban rail transit communication networks based on Ethernet connectionsJ.Modern Urban Transit,2024(04):51-56.DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.04.0081 引言城市轨道交通作为现代城市交通系统的重要组成部分，其安全、高效、准时的运营对保障城市功能和提摘 要：随着城市轨道交通的快速发展，基于以太网的通信网络因其高速、可靠的传输特性而被广泛应用。然而，这一关键基础设施的安全脆弱性也随之凸显，对城市轨道交通系统的安全运营构成潜在威胁。文章首先概述基于以太网的城市轨道交通通信网络的基本架构及其在实际应用中存在的安全脆弱性问题，如未授权访问、数据篡改、服务拒绝攻击等；其次，通过定性分析方法，深入探讨脆弱性的成因及其可能对城市轨道交通系统造成的影响，并提出针对性的改善措施，包括加强网络接入控制、数据加密、异常检测与响应等策略，以提高城市轨道交通通信网络的安全性；最后，总结基于以太网的城市轨道交通通信网络在安全性方面的挑战和未来发展方向，强调综合安全措施的重要性以确保城市轨道交通系统的稳定运行。关键词：城市轨道交通；通信网络；以太网；TCP/IP协议栈 中图分类号：U213.9升居民生活质量具有重要意义。随着技术的进步，基于以太网的通信网络已成为城市轨道交通系统中不可或缺的一环，它承担着车辆控制、信号传递、乘客信息服务等多种关键任务。以太网技术以其传输速率高、灵活性强、易于维护等优势，成为城市轨道交通通信网络设计的首选方案。然而，随着技术应用的广泛和深入，网络安全问题也逐渐显露，特别是在网络安全威胁日益增多的当下，城市轨道交通通信网络的安全脆弱性问题尤为突出。2 网络安全脆弱性问题基于以太网的城市轨道交通通信网络是城市轨道交通内部通信的核心，其安全性对城市轨道交通运行和数据传输至关重要。但由于其设计和管理的复杂性，使其存在一定的安全脆弱性，一旦受到攻击，将威胁城市轨道交通和乘客安全。目前，全球范围内对此问题的综合探讨存在不足，因此本文就基于以太网的城市轨道交通通信网络的脆弱性进行深入定量分析。2.1 网络协议脆弱性分析在基于以太网的城市轨道交通通信网络中，同样采用了传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）、网际互连协议（IP）和地址解析协议（ARP）等公有协议，这些协议在传统以太网环境中广泛应用，确保了网络通基于以太网的城市轨道交通通信 网络安全脆弱性定性分析52MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通技术装备技术装备基于以太网的城市轨道交通通信网络安全脆弱性定性分析信的基本功能和稳定性。为满足城市轨道交通通信网络对实时性、可靠性和安全性的特定需求，还特别引入如轨道交通数据传输协议（TRDP）和轨道交通时间触发协议（TTDP）等专有协议。这些专有协议的设计主要是为解决在高速、密集的城市轨道交通环境下，传统公有协议可能无法完全满足的特殊通信需求，例如提高数据传输的实时性和安全控制的精确性。虽然公有协议和专有协议都在传统的以太网应用环境中得到了应用，但专有协议的引入是基于对城市轨道交通通信特有环境和需求的深入理解与分析。因此，这些专为城市轨道交通设计的专有协议，并非取代公有协议，而是为了补充和增强在特定场景下的网络性能和安全性，展现城市轨道交通通信网络设计的独特性和复杂性。在保障基础网络功能的同时，通过专有协议的设计和实施，进一步提高了城市轨道交通系统的通信效率和安全保障水平。针对各类协议出现的安全脆弱性问题的具体表现形式被称为通用信息披露（CVE）。CVE 是全球通用的由非营利组织麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（MITRE）所维护的信息安全数据库，在CVE 网站内检索“维 CP”等公有协议关键词，可以查询到与这些协议直接或间接相关的漏洞数量，常用的网络协议相关的漏洞数量如图 1 所示。计和漏洞扫描，确保网络设备、协议的安全可靠。2.1.1 公有协议的脆弱性分析TCP 和 UDP 是网络传输层中 2 个主要协议。其中，TCP 是一种面向连接的传输层协议，其核心功能是确保数据传输的可靠性和准确性。TCP 连接的建立是通过三次握手（three-way handshake）的过程完成。首先，客户端向服务器发送带有同步序列号（SYN）的请求开始一个新的连接；然后，服务器回应带有确认应答（ACK）的 SYN 报文，即 SYN+ACK 报文，以确认收到客户端的请求；最后，客户端再次发送 ACK 的报文给服务器，完成连接。但 TCP 存在 SYN Flood 攻击的风险，攻击者通过伪造大量 SYN 请求，消耗服务器资源，导致正常连接请求无法处理。UDP 是一种无连接的传输层协议，传输速度快但存在数据遗漏、重复或错误的问题，易受到伪造源 IP地址的攻击。为防御 UDP 的安全问题，可设置防火墙限制 UDP 流量和速率，使用 NAT 技术阻止伪造源 IP攻击，并利用入侵检测和响应系统实时监测阻止攻击行为。2.1.2 专有协议的脆弱性分析TRDP 是城市轨道交通远程数据处理协议，采用推和拉 2 种通信模式传输城市轨道交通管理信息数据（PD），基于 UDP 实现数据传输。因此，针对 UDP 的网络攻击也应运而生。在推通信模式中，攻击者操纵多个车辆设施作为僵尸节点，向目标设施发送大量 TRDP-PD 数据，消耗通信资源，使被攻击设施无法与正常发布方实现有效交流。在拉通信模式中，攻击者发送大量虚假消息侵占合法消息传输空间，通过获取特定通信功能的 ComId，隐藏不良行为于正常流程下，传递不良指示，威胁城市轨道交通运行。基于以太网的城市轨道交通通信网络拓扑数据库实时协议（TTDB）是基于以太网的城市轨道交通通信网络拓扑数据库（ETB）启动的关键协议，但缺乏网络安全保护，攻击者可获取城市轨道交通完整拓扑信息，用于确定更危险的攻击路线和精准的攻击方案。基于以太网的城市轨道交通通信网络的专有协议的脆弱性分析如表 1 所示。2.2 脆弱性问题与规避策略上文对城市轨道交通通信网络的安全脆弱性进行定性分析，揭示在网络中潜藏的多种安全隐患。本节从具体应用和运营角度出发，进一步探讨可能遭遇的脆弱性图 1 漏洞数量协议名称相关漏洞数量/个2 5002 0001 5001 0005000ICMPARPIPUDPTCP162962 2625291 672攻击者可能利用 TCP 等公有协议漏洞发送恶意数据包，破坏基于以太网的城市轨道交通通信网络稳定性，也可能利用 TRDP 和 TTDP 等专有协议漏洞篡改数据或控制城市轨道交通。为保护基于以太网的城市轨道交通通信网络，需加强网络安全设备管理，如部署防火墙、入侵检测系统；采用加密、认证、访问控制等安全技术；实时监控网络设备状态、数据流量，定期安全审53 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT技术装备技术装备基于以太网的城市轨道交通通信网络安全脆弱性定性分析问题及其对系统安全造成的潜在威胁，包括技术漏洞、人为因素、供应链风险和策略缺陷等。目的是探讨有效的规避策略，确保网络的安全稳定运行。在讨论脆弱性问题之前，需要明确“脆弱性”的概念。在网络安全领域，脆弱性指的是系统、网络或软件中的安全漏洞可能被恶意攻击者利用，造成未授权访问、数据窃取或服务破坏等。脆弱性的存在增加了系统遭受攻击的风险，一旦被利用，可能对整个网络的安全性、稳定性和可靠性造成严重影响。因此，识别、评估和修复脆弱性是保障网络安全的重要环节。2.2.1 设备供应商的后门近年来，一些城市轨道交通设备供应商因为经济利益或其他原因，在一些设备中留有后门（后门是指绕过安全控制而获取对程序或系统访问权的方法）。这些后门一旦被攻击者发现并进行利用，可能会对整个城市轨道交通通信网络造成严重影响。2.2.2 常见设备后门导致的网络影响城市轨道交通通信网络中的设备众多，操作系统各异。各类设备的操作系统、固件和配置均可能存在安全漏洞，使得攻击者能够利用这些漏洞进行攻击。2.2.3 规避策略为了防止上述脆弱性问题，需要采取以下规避策略。（1）加强网络设备的配置和管理。对网络设备的配置进行严格的管理，定期进行安全审计和漏洞扫描。特别是对于关键设备，如交换机、路由器、服务器等，要确保其配置的安全性。（2）采用强密码策略。为网络设备设置强密码，并定期更换。密码应包含大写字母、小写字母、数字和特殊字符等，以提高密码的复杂性和安全性。（3）定期更新设备固件和软件。及时更新网络设备的固件和软件版本，以修复已知的漏洞。同时，对于关键设备，应进行备份和冗余设计，以防止因设备故障导致的网络中断。（4）实施安全的网络设计和规划。合理规划网络拓扑结构，划分安全区域，实施访问控制策略。对于外部接入设备，应进行严格的认证和授权管理，防止未经授权的设备接入网络。2.2.4 安全评估和渗透测试在现有的规避策略中，对网络设备进行严格的配置管理以及定期进行安全审计和漏洞扫描已是常规动作。但为进一步强化该动作，可以加入对整个网络安全架构的定期安全评估，包括但不限于对网络设备的配置、安全策略以及安全措施的全面评估。另外，引入定期的渗透测试作为安全评估的一部分。渗透测试模拟黑客攻击，以评估网络的安全性。通过该方式，可以在实际攻击发生前发现和修复漏洞。渗透测试应覆盖所有关键的网络组件，包括交换机、路由器和服务器，以及任何连接到网络的设备。在城市轨道交通系统的网络安全评估和渗透测试中，以型号为“Metro-X2000”作为测试对象。该型号的列车因配备先进的通信系统和网络接口，使其成为理想的测试目标以评估整个轨道交通网络的网络安全性。3 脆弱性定性分析随着城市化进程的加速，城市轨道交通作为解决城市交通拥堵的有效手段，其安全、高效的运营越来越受到重视。在此背景下，基于以太网的城市轨道交通通信网络因其高速传输和易于扩展的特性，成为支撑城市轨道交通系统可靠运行的关键技术。然而，随着网络技术的广泛应用，其固有的脆弱性问题也日益显现，这不仅关系到轨道交通的正常运营，更直接影响到乘客的安全和出行效率。因此，对基于以太网的城市轨道交通通信网络的脆弱性进行深入分析，识别并制定有效的应对措施，成为确保城市轨道交通安全运行的重要课题。3.1 脆弱性分析以太网技术在城市轨道交通通信网络中的广泛应用，极大提高数据处理和传输效率，支撑包括列车控制、乘客信息服务、监控系统等多样化的网络服务。然而，其依赖的物理介质和网络设备的脆弱性，以及面临的网络安全威胁，成为不容忽视的问题。物理损害如电缆被割断或硬件故障，以及网络安全攻击如分布式拒绝服务（DDoS）攻击，都可能导致通信系统的部分或全部瘫痪。此外，技术的快速迭代带来的兼容性问题，以及表 1 专有协议的脆弱性协议名称脆弱性分析TRDP 可能存在加密和认证机制不足的问题，攻击者可能通过破解加密算法或伪造认证信息来获取对网络设备的控制权TTDP 可能存在访问控制机制不完善的问题，攻击者可能通过伪造合法身份或绕过身份验证来获取对网络设备的控制权54MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通技术装备技术装备基于以太网的城市轨道交通通信网络安全脆弱性定性分析错误配置或更新不及时的风险，进一步加剧了网络的不稳定性。针对这些潜在风险，进行系统的定性评估，明确每种威胁对网络稳定性的具体影响，是制定有效防护策略的前提。3.2 改善城市轨道交通通信网络脆弱性的策略针对城市轨道交通通信网络面临的脆弱性问题，采取多层次、全方位的防护措施是确保网络安全和系统稳定运行的关键。首先，从物理层面加强设施保护，比如通过冗余设计增强系统的容错能力，使用物理隔离或加固保护关键设备免受物理损害。其次，加强网络层面的安全防护，实施实时网络监控和入侵检测系统，有效防范和应对网络攻击。再次，应用层面需定期对系统进行更新维护，确保软硬件配置正确，及时修补安全漏洞。此外，建立完善的应急响应机制和恢复计划，提高网络遭受攻击或故障时的恢复能力，是保障网络持续稳定运行的重要保障。基于以太网的城市轨道交通通信网络虽然为城市轨道交通系统提供了强大的数据支撑，但其固有的脆弱性也对城市轨道交通安全运行提出了挑战。通过深入分析这些脆弱性，并采取针对性的防护措施，可以有效提高城市轨道交通通信网络的安全性和可靠性。随着技术的不断进步和安全防护措施的不断完善，相信未来城市轨道交通通信网络能够更加稳定和安全地支撑城市轨道交通的高效运营。4 改善网络脆弱性问题的应对措施4.1 物理层面的防护措施在基于以太网的城市轨道交通通信网络中，物理层面的防护措施至关重要。首先，增强物理设施的安全性是不可或缺的一环。通过在关键位置安装监控摄像头和入侵检测系统，实时监控和预警各类未经授权的物理访问，从而有效防范潜在的安全风险。同时，对网络中心和主要通道进行加固也是必要的应对措施，该类措施可以防止电缆和硬件因外界因素如建筑工程、自然灾害等遭到破坏所造成的通信中断，以确保通信网络的稳定运行。此外，冗余设计在物理防护中同样占据重要地位。通过实施冗余网络路径和备用通信链路，保障在单点故障发生时迅速切换到备用路径，防止整个系统瘫痪。这样的设计极大提高通信网络的可靠性和稳定性。同时，对关键设备如路由器、交换机进行双电源配置也是一项重要的安全措施。在电源中断的情况下，关键设备可以自动切换至备用电源，确保通信网络的连续运行，从而保障城市轨道交通系统的正常运行和数据安全。4.2 技术和网络层面的防护措施在技术和网络层面，采取恰当的防护措施对于确保基于以太网的城市轨道交通通信网络的安全至关重要。首先，实施实时网络监控是确保通信网络安全的一项核心任务。通过建立全面的网络监控系统，实现实时监测网络流量和设备性能的功能，便于及时发现异常行为和潜在的故障点。这有助于迅速应对网络攻击和故障，防止安全风险进一步扩大。同时，通过监控网络流量，还可以识别并阻止未经授权的访问和数据泄露，保护通信网络的机密性和完整性。此外，定期更新和维护网络设备也是保障网络安全的关键措施。随着技术的不断进步和漏洞的不断被发现，网络设备的固件和软件需要不断更新以应对新的安全威胁。通过定期更新网络设备，及时修补已知漏洞，减少安全风险。同时，对网络配置进行定期审计也是必不可少的。网络的定期审计可以确保网络配置的正确性和最优化，避免因配置错误导致的安全风险。通过技术和网络层面的防护措施，可以提高通信网络的可靠性和安全性，确保城市轨道交通系统的稳定运行。4.3 网络安全层面的防护措施在网络安全层面，深度防火墙和入侵防御系统的部署是保护基于以太网的城市轨道交通通信网络的首要任务。通过过滤进出网络的数据包和实时监测网络流量，有效阻止未经授权的访问和应对网络攻击。同时，加密技术的运用对保障数据传输过程中的敏感数据安全至关重要，可以确保数据的机密性和完整性。此外，严格的身份验证和访问控制策略能防止非法入侵和滥用网络资源。以上综合措施共同构建了一个安全可靠的网络环境，为城市轨道交通系统的顺畅运行提供了坚实保障。4.4 应急预案和恢复措施应急预案和恢复措施是城市轨道交通通信网络运营中不可或缺的重要环节。建立应急响应计划至关重要，可确保在检测到网络攻击或系统故障时迅速启动应急响应机制，通过专业团队及时定位、分析并采取措施，减少损失，提高网络安全的应对能力，增强系统稳定性和可靠性。55 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT技术装备技术装备基于以太网的城市轨道交通通信网络安全脆弱性定性分析此外，数据备份和灾难恢复计划同样重要。定期备份关键数据可确保数据完整性和可用性，快速恢复服务可减少因系统故障或数据丢失造成的损失。这些措施为城市轨道交通通信网络的稳定运营提供坚实保障。4.5 用户和员工培训城市轨道交通通信网络安全运营中，用户和员工培训是关键。安全意识培训能提升员工对网络威胁的认识和防护技能，减少安全事件发生。操作规程培训则确保员工规范操作，减少失误，提高网络稳定性。两者结合，为城市轨道交通通信网络安全稳定运行提供有力保障。具体培训措施应根据网络架构和业务需求定制，确保网络免受攻击，服务连续可靠。5 结语随着城市轨道交通系统在现代城市中功能的日益重要，基于以太网的通信网络已成为确保其高效、安全运营的关键基础设施。本文通过对这一网络系统的脆弱性进行全面的定性分析，揭示了物理损害、网络安全威胁以及技术迭代带来的挑战。尽管以太网技术提供了高速传输和灵活扩展的优势，但伴随而来的安全脆弱性问题也不容忽视。通过深入探讨网络协议的脆弱性、专有协议的安全漏洞以及其他潜在的安全风险，本文进一步强调采取多层次、全方位防护措施的重要性，包括但不限于物理层的加固保护、技术和网络层面的安全策略优化、以及网络安全层面的深度防御。同时，突出了应急预案的建立和恢复措施的制定，在网络遭受攻击或发生故障时能够迅速响应，保障系统的稳定运行。此外，本文还强调了对用户和员工进行安全意识培训的必要性，以提高整个组织对网络安全威胁的认识和应对能力。通过系统的安全评估和渗透测试，能够进一步发现和修补潜在的安全漏洞，从而为城市轨道交通系统的安全保障提供更加坚实的基础。随着网络技术的不断进步和网络安全威胁的日益复杂化，基于以太网的城市轨道交通通信网络面临的挑战将会更加多样化和复杂。因此，持续的技术创新、安全策略的不断优化、以及全体成员安全意识的普及将是保障网络安全的关键。只有构建一个安全、稳定、可靠的通信网络，才能确保城市轨道交通系统的高效运营，进一步提升城市的公共交通服务质量，为城市居民提供更加便捷、安全的出行选择。参考文献1 丁超,陈英,鉴纪凯,等.城市轨道交通列车网络安全研究J.现代城市轨道交通,2022(09):81-86.DING Chao,CHEN Ying,JIAN Jikai,et al.Research on train network security of urban rail transitJ.Modern Urban Transit,2022(09):81-86.2 张威,司鑫悦.城市轨道交通云平台网络安全体系研究J.现代城市轨道交通,2022(07):34-38.ZHANG Wei,SI Xinyue.Research on network security system of urban rail transit cloud platformJ.Modern Urban Transit,2022(07):34-38.3 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vulnerability of this critical infrastructure has also been highlighted,which poses a potential threat to the safe operations of urban rail transit systems.This article starts with an overview of the basic architecture of Ethernet-based urban rail transit communication networks and their security vulnerabilities in terms of practical applications,such as unauthorized access,data tampering,denial of service attacks,etc.Furthermore,through a qualitative analysis method,the causes of these vulnerabilities and their possible impacts on urban rail transit systems are discussed in an in-depth manner.On this basis,targeted improvement measures are proposed,including enhancing network access control,data encryption,abnormality detection,and response strategies,to improve the security of urban rail transit communication networks.Last but not least,this article summarizes the security challenges and future development directions of Ethernet-based urban rail transit communication networks,emphasizing the importance of comprehensive safety measures to ensure the stable operation of urban rail transit systems.Keywords:urban rail transit,communication network,Ethernet,TCP/IP protocol stack LIU Zhen,HE Yueying,Ding Huan.Research on network security risk and protection countermeasures for train control system of urban rail transitJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2020,17(12):1-7.17 李洋.城市轨道交通网络韧性评估与最优恢复策略研究D.陕西西安:长安大学,2023.LI Yang.Research on resilience assessment and optimal recovery strategy of urban rail transit networkD.Xian Shaanxi:Changan University,2023.收稿日期 2023-11-28责任编辑 安小璟